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太陽能 (Solar Energy)
太陽能(Solar Energy)一般是指太陽光的輻射能量,在現代一般用作發電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存,而自古人類也懂得以陽光曬乾物件,並作為保存食物的方法,如製鹽和曬鹹魚等。但在化石燃料減少下,才有意把太陽能進一步發展。 太陽能技術分為有源(主動式)及無源(被動式)兩種。有源的例子有太陽能光電及光熱轉換,使用電力或機械設備作太陽能收集,而這些設備是依靠外部能源運作的,因此稱為有源。無源的例子有在建築物引入太陽光作照明等,當中是利用建築物的設計、選擇所使用物料等達至利用太陽能的目的,由於當中的運作無需由外部提供能源,因此稱為無源。 太陽能發電是一種新興的可再生能源。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源,如風能,化學能,水的勢能,化石燃料可以稱為遠古的太陽能。太陽能資源豐富,既可免費使用,又無需運輸,對環境無任何污染。太陽能為人類創造了一種新的生活形態,使社會及人類進入一個節約能源減少污染的時代。 |
太陽能 (Solar Energy)
太陽是溫暖的,帶給我們食物,更是重要的是能供給我們清潔能源。太陽能直接把陽光轉化成熱能和電力。除了常見的小電器,好像計算機可以用太陽能開動外,更可以對沒有電網供電的地區提供電力。建築師也越來越多採用光伏電池作為未來設計的賣點。 太陽能有兩種可能性,一是光伏能,另一項是太陽熱能。光能轉化成電力,透過釋放電子(負極粒子)的半導體物料來產生電能。所有光伏電池都有最少兩層半導體,一邊正極一邊負極。當光照射到半導體,兩層物料之間產生的電場便會推動電子移動,產生直流電。光度越強,電流便越大。 太陽熱能方面,主要是把陽光聚焦在一條線或一點上,產生的熱能可用於製造蒸汽,熾熱而高壓的蒸汽就可以推動渦輪機發電。在陽光充沛的地區,太陽能熱電站更可保證供應大部分電力。根據推算,太陽能熱電站總裝機容量到了2015年可以超過5000兆瓦;而到2020年每年新增的裝機容量可達4500兆瓦,而全球總裝機容量將可達到近30000兆瓦,足以供電給超過3000萬家庭用戶。 有些意見會認為太陽能不穩定,其實太陽能光伏系統不一定需要燦爛陽光也可以發電,它也可在陰霾的日子發電。這是由於太陽光從雲的反射,少雲的日子甚至比萬里無雲的晴空產生更高能量。即使在多雲的日子,只要利空太陽能加熱真空管,當光線從多角度照射,真空管的吸收器仍能大派用場。 現在市面上有不同種類的的太陽熱能技術供大眾使用,效率高而且可靠,從家用熱水器、商住大廈的暖氣設備,到游泳池暖氣、太陽能冷卻、工業程序熱能和飲用水淡化程序,但能普遍應用於生產家用熱水,並成為一些國家住宅大廈內的常見設備。 太陽的能量
地球在上層大氣的傳入太陽輻射的接收為 174 petawatt (PW)。大約 30%被反射回空間,而其餘太陽能則被雲層、 海洋和陸地吸收。在地球表面的太陽能光譜大多分布在一小部分近紫外線,全部可見光和近紅外線的範圍。 地球的大氣、海洋和陸地吸收的太陽能每年大約是 3,850,000 exajoules (EJ)。在2002年,一小時內的太陽能比全世界在一年內使用的能量還要更多。光合作用獲得的生物質能每年約 3000 EJ。太陽的能量到達這個地球表面的數量是如此巨大,以至於在一年中的太陽能是自從人類取得和開採的所有在地球上不可再生資源的煤、石油、天然氣、和鈾都相結合的總能源的兩倍。在世界各地,主要根據緯度的不同來利用太陽能。 利用方法 太陽能污水廠 太陽能是指主要利用太陽輻射用於實際目的。然而,除地熱能和潮汐能外,所有其他的可再生能源都是來源自太陽的能量。 太陽能技術被廣泛定性為被動的或主動的方式來捕獲,轉換和分配太陽光。主動式太陽能技術,利用太陽能光電板,泵,風機將陽光轉換為有用的輸出。被動式太陽能技術,包括選擇材料具有良好的熱性能,設計,自然空氣流通的空間,並按照太陽來安排的建築物的位置。主動式太陽能技術,增加能源供應,被認為是供應端的技術; 而被動式太陽能技術,減少替代資源的需要,通常被認為是需求端的技術。 利用太陽能的方法主要有: ● 使用太陽能電池,通過光電轉換把太陽光能量轉化為電能 ● 利用便宜的鏡子將陽光反射至昂貴高效能太陽能電池(但需要注意散熱),可以減低發電成本 ● 使用太陽能熱水器,利用太陽光的熱量把水加熱 ● 利用太陽光的熱量加熱水,並利用熱水發電 ● 利用太陽的熱能來進行吸附式製冷 ● 透過機械及硬體設備來收集及傳送太陽能的熱量,以供應暖氣設備。可分為主動式太陽能加熱系統及被動式太陽能加熱系統 ● 利用太陽能的熱量來驅動斯特林發動機 ● 利用太陽能加熱鹽類,再用鹽類儲存的熱量發電(在夜間仍繼續發電)將吸收太陽能熱量的系統整合於太陽能電池上,降低成本。 ● 集中太陽能於定點製造龍捲風,利用龍捲風做高效能風力發電 ● 利用太陽能作為熱源進行海水淡化 ● 能源作物也是一種太陽能 ● 太空太陽能轉換電能儲存,輸送到地面電能接收站,訊號接收站 ● 根據環境與環境太陽日照的長短強弱,可移動式和固定式太陽能利用網 ● 太陽能運輸(汽車、船、飛機等)、太陽能公共設施(路燈、紅綠燈、招牌...等)、建築整合太陽能(房屋、廠房、電廠、水廠等) ● 太陽能裝置,例如:太陽能計算機、太陽能背包、太陽能檯燈、太陽能手電筒...等各式太陽能應用與裝置 現在,太陽能的利用還不很普及,利用太陽能發電還存在成本高、轉換效率低的問題,但是太陽電池在為人造衛星提供能源方面得到了很好的應用。目前,全球最大的屋頂太陽能面板系統位於德國南部比茲塔特(Bürstadt),面積為四萬平方公尺,每年的發電量為450萬千瓦時。 日本為了達成京都議定書的二氧化碳減量要求,全日本都普設太陽能光電板,位於日本中部的長野縣飯田市,居民在屋頂設置太陽能光電板的比率甚至達2%,堪稱日本第一。 |
太陽能電池 (Solar Cell)
太陽能電池又稱為「太陽能晶片」或光電池,是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被光照到,就可輸出電壓及電流。在物理學上稱為太陽能光伏(Photovoltaic,photo 光,voltaics 伏特,縮寫為PV),簡稱光伏。 太陽能電池發電是根據特定材料的光電性質製成的。黑體(如太陽)輻射出不同波長(對應於不同頻率)的電磁波,如紅、紫外線,可見光等等。當這些射線照射在不同導體或半導體上,光子與導體或半導體中的自由電子作用產生電流。射線的波長越短,頻率越高,所具有的能量就越高,例如紫外線所具有的能量要遠遠高於紅外線。但是並非所有波長的射線的能量都能轉化為電能,值得注意的是光電效應與射線的強度大小無關,只有頻率達到或超越可產生光電效應的閾值時,電流才能產生。能夠使半導體產生光電效應的光的最大波長同該半導體的禁带寬度相關,譬如晶體矽的禁带寬度在室溫下約為1.155eV,因此必須波長小於1100nm的光線才可以使晶體矽產生光電效應。 太陽電池發電是一種可再生的環保發電方式,發電過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體,不會對環境造成污染。按照製作材料分為矽基半導體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中矽電池又分為單晶電池、多晶電池和無定形矽薄膜電池等。對於太陽電池來說最重要的參數是轉換效率,目前在實驗室所研發的矽基太陽能電池中,單晶矽電池效率為25.0%,多晶矽電池效率為20.4%,CIGS薄膜電池效率達19.6%,CdTe薄膜電池效率達16.7 %,非晶矽(無定形矽)薄膜電池的效率為10.1%,各種電池儘管效率不同,成本不同,使用的場合也不同。太陽能電池的效率還要提升,目前電價要更高,才會有更多的使用者願意來安裝。 太陽能電池構造與發電原理 太陽電池是一種可以將能量轉換的光電元件,其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。半導體最基本的材料是「矽」,它是不導電的,但如果在半導體中摻入不同的雜質,就可以做成P型與N型半導體,再利用P型半導體有個空穴(P型半導體少了一個帶負電荷的電子,可視為多了一個正電荷),與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產生電流,所以當太陽光照射時,光能將矽原子中的電子激發出來,而產生電子和空穴的對流,這些電子和空穴均會受到內建電位的影響,分別被N型及P型半導體吸引,而聚集在兩端。此時外部如果用電極連接起來,形成一個迴路,這就是太陽電池發電的原理,主要來自於PN行半導體的內建電場驅使電子電洞移動,並收集起來。因此,在電子與電洞移動的路徑上的缺陷密度將會對於光電流的產生有絕對的影響。 太陽光電的發電原理,是利用太陽電池吸收0.4μm~1.1μm波長(針對矽晶)的太陽光,將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。由於太陽電池產生的電是直流電,因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器,換成交流電,才能供電至家庭用電或工業用電。 太陽能電池的充電發展 太陽能電池應用在消費性商品上,大多有充電的問題,過去一般的充電對象採用鎳氫或鎳鎘乾電池,但是鎳氫乾電池無法抗高溫,鎳鎘乾電池有環保污染的問題。近年來超級電容發展快速,容量超大,面積反縮小,加上價格低廉,因此有部份太陽能產品開始改採超級電容為充電對象,因而改善了太陽能充電的許多問題: 1.充電較快速, 2.壽命長5倍以上, 3.充電溫度範圍較廣, 4.減少太陽能電池用量(可低壓充電)。 太陽電池材料種類 太陽電池的材料種類非常的多,可以有非晶矽、多晶矽、CdTe、CuInxGa(1-x)Se2等半導體的、或三五族、二六族的元素鏈結的材料,簡單地說,凡光照後,而產生電能的,就是太陽電池尋找的材料。主要是透過不同的製程和方法,測試對光的反應和吸收,做到能隙結合寬廣,讓短波長或長波長都可以全盤吸收的革命性突破,來降低材料的成本。 太陽電池型式上也分有,基板式或是薄膜式,基板在製程上可分拉單晶式的、或相溶後冷卻結成多晶的塊材,薄膜式是可和建築物有較佳結合,如有曲度或可撓式、折疊型,材料上較常用非晶矽。另外還有一種有機或奈米材料研發,仍屬於前瞻研發。因此,也就是目前可聽到不同世代的太陽電池:第一代基板矽晶(Silicon Based)、第二代為薄膜(Thin Film)、第三代新觀念研發(New Concept)、第四代複合薄膜材料。 第一代太陽能電池發展最長久技術也最成熟。可分為,單晶矽(Monocrystalline Silicon)、多晶矽(Polycrystalline Silicon)、非晶矽(Amorphous Silicon)。以應用來說是以前兩者單晶矽與多晶矽為大宗。 第二代薄膜太陽能電池以薄膜製程來製造電池。種類可分為碲化鎘(Cadmium Telluride CdTe)、銅銦硒化物(Copper Indium Selenide CIS)、銅銦鎵硒化物(Copper Indium Gallium Selenide CIGS)、砷化鎵(Gallium arsenide GaAs) 第三代電池與前代電池最大的不同是製程中導入有機物和奈米科技。種類有光化學太陽能電池、染料光敏化太陽能電池、高分子太陽能電池、奈米結晶太陽能電池。 第四代則是針對電池吸收光的薄膜做出多層結構。 某種電池製造技術。並非僅能製造一種類型的電池,例如在多晶矽製程,既可製造出矽晶版類型,也可以製造薄膜類型。甚至開始在表現結構的測試,透過光學原理將光折射進入電池內部,增加可吸收的有效面積。 新型太陽電池 目前市場上大量產的單晶與多晶矽的太陽電池平均效率約在15%上下,也就是說,這樣的太陽電池只能將入射太陽光能轉換成15%可用電能,其餘的85%都浪費成無用的熱能。所以嚴格地說,現今太陽電池,也是某種型式的能源浪費。理論上,只要能有效的抑制太陽電池內載子和聲子的能量交換,換言之,有效的抑制載子能帶內或能帶間的能量釋放,就能有效的避免太陽電池內無用的熱能的產生,大幅地提高太陽電池的效率,甚至達到超高效率的運作。而這樣簡易的理論構想,在實際的技術上,卻可以用不同的方法來執行這樣的原則。超高效率的太陽電池(第三代太陽電池)的技術發展,除了運用新穎的元件結構設計,來嘗試突破其物理限制外,也有可能因為新材料的引進,而達成大幅增加轉換效率的目的。也有許多後續的封裝技術和光學技術,例如聚光型太陽能電池,透過光學的方式將太陽光聚集於太陽能面板上,而此類型的太陽能電池將要能承受高溫的部分。 薄膜太陽電池 在薄膜電池技術中,近年來BIPV(Building Integrated Photo Voltaic)即建築物集成太陽能電池技術特別引人注目。此技術把薄膜電池應用到建築物的圍護結構如屋頂、天窗、外觀、門窗等部分的建築材料之中;對於使用帷幕牆特別是玻璃幕牆的建築物,BIPV更可結合在帷幕牆的材料之中。故其相對於非集成系統的優點,在於初投資可被因節省建材和勞工而抵消。被認為是太陽能電池工業中增長最大的技術之一。薄膜太陽能電池的好處在於可饒與低成本,透過沉積的方式即可完成,大面積,但效率不高,且有常見的光衰退現象。CIGS可彎曲模塊是BIPV封裝工業增長的最大推動力。 銅銦硒太陽電池 銅銦硒(CuInSe2, CIGS)薄膜太陽能電池具有以下特點:(1)銅銦硒薄膜的能隙為1.04eV,通入適量的鎵取代銦可在1.04~1.67eV之間連續調整能帶寬度。(2)銅銦硒是一種直接能隙材料,其可見光的吸收係數高達105cm-1數量級,相較於矽基系列(mono-Si, a-Si),更多了約100倍以上的吸收,非常適合做為薄膜太陽能電池的吸收層。(3)技術成熟後,製造成本和回收時間將遠低於晶體矽太陽能電池。(4)抗輻射能力強。(5)高光電轉換效率,目前銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的最高轉換效率已達20.3%,是所有薄膜太陽能電池中的最高紀錄。(6)電池穩定性佳,效率穩定幾乎不衰減。(7)弱光特性好。因此銅銦硒薄膜太陽能電池可望成為新一代太陽能電池的主流產品之一。 染料敏化太陽電池 染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)是最近被開發出來的一種嶄新的太陽電池。DSsC也被稱為格雷策爾電池,因為是在1991年由格雷策爾等人發明的構造和一般光伏特電池不同,其基板通常是玻璃,也可以是透明且可彎曲的聚合箔(polymer foil),玻璃上有一層透明導電的氧化物(transparent conducting oxide,TCO)通常是使用FTO(SnO2:F),然後長有一層約10微米厚的porous奈米尺寸的TiO2粒子(約10~20 nm)形成一nano-porous薄膜。然後塗上一層染料附著於TiO2的粒子上。通常染料是採用ruthenium polypyridyl complex。上層的電極除了也是使用透明導電層和TCO外,也鍍上一層鉑當電解質反應的催化劑,二層電極間,則注入填滿含有iodide/triiodide電解質。雖然目前DSSC電池的最高轉換效率約在12%左右(理論最高29﹪[來源請求]),但是製造過程簡單,所以一般認為降低生產成本會更多,能用更低的成本提供同樣的發電量。 串疊型電池 串疊型電池(Tandem Cell)屬於一種運用新穎原件結構的電池,藉由設計多層不同能隙的太陽能電池來達到吸收效率最佳化的結構設計,紅光和藍光區域的光譜會分別由兩個電池來吸收。以增加QE的轉換效率。目前由理論計算可知,如果在結構中放入越多層數的電池,將可把電池效率逐步提升,甚至可達到50%的轉換效率,但Tandem Cell的難處在於它必須要做到current match,因為上下兩層電池產生的電流,最後取決於較小的那一顆電池為主。 例如核能研究所利用MOCVD磊晶生長的方法進行堆疊式單體型InGaP/GaAs/Ge三接面太陽電池磊晶片的開發與太陽電池元件製程,所完成的太陽電池在128個太陽條件下,最佳能量轉換效率為39.07 %。此種高聚光太陽光發電(High Concentration Photovoltaic, HCPV)技術由於具有發電效率高、溫度係數低及最有降低發電成本的潛力等優勢。依據聚光型太陽光發電協會(CPV Consortium)資料顯示,聚光型太陽光發電的全球市場將以145%年複合成長率向上增長,預估至2015年之安裝量將達1.8GW。 |
光電轉換
光電轉換又稱太陽能光電。太陽能板是一種暴露在陽光下便會產生直流電的發電裝置,由幾乎全部以半導體物料(例如矽)製成的薄身固體太陽能電池組成。由於沒有活動的部分,故可以長時間操作而不會導致任何損耗(薄膜太陽能電池會有光衰退的現象)。簡單的光電電池可為手錶及計算機提供能源,較大的光電系統可為房屋照明,並為電網供電。 太陽能板可製成不同形狀,又可連接以產生更多電力。近年,天台及建築物表面開始使用光電板組件,被用作窗戶、天窗或遮蔽裝置的一部分,這些光電設施通常被稱為附設於建築物的光電系統。 光熱轉換 現代的太陽能科技可以將陽光聚合,並運用其能量產生熱水、蒸汽和電力。集熱式太陽能(Solar Thermal)。原理是將鏡子反射的太陽光,聚焦在一條叫接收器的玻璃管上,而該中空的玻璃管可以讓油流過。從鏡子反映的太陽光會令管子內的油升溫,產生蒸氣,再由蒸氣推動渦輪機發電。除了運用適當的科技來收集太陽能外,建築物亦可利用太陽的光和熱能,方法是在設計時加入合適的裝備,例如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢慢釋放太陽熱力的建築材料。在適當地點,太陽能的長期使用成本已經接近甚至低於傳統的化石燃料。 太陽能熱水器 太陽能熱水系統利用太陽光來加熱水。在較低的地理緯度(低於40度)從60%到70%的生活熱水可以使用太陽能加熱系統提供溫度高達60°C的熱水。最常見的類型的太陽能熱水器真空管集熱器(44%)和玻璃平板集熱器(34%),一般用於生活熱水;還有無釉的塑料收集器(21%),主要用於加熱游泳池。 截至2007年,太陽能熱水系統的總裝機容量約為154吉瓦(GW)。中國是世界的領先者,在截至2006年他們已經安裝了70吉瓦(GW),並且部署了在2020年安裝210吉瓦(GW)的長遠目標。以色列和賽普勒斯是在人均使用量上面的領先者,超過90%的家庭使用太陽能熱水系統[18]。在美國,加拿大和澳大利亞佔主導地位的應用是加熱游泳池,在2005年太陽能熱水應用的裝機容量為18吉瓦(GW)。 加熱,冷卻和通風 在美國,暖通空調(Heating, Ventilation and Air Conditioning,簡稱:HVAC)系統佔用商業樓宇使用的的能量30%(4.65 EJ), 和在住宅建築近使用的能源的50% (10.1 EJ)。太陽能加熱,冷卻和通風技術可用於抵銷了這些能量的一部分。 水處理 太陽能可用於蒸餾處理鹽水或半鹹水的成可飲用水。這種應用的首次記錄是在16世紀的阿拉伯鍊金術士。首先構建一個大型的太陽能蒸餾項目於1872年在智利的礦業城市拉斯維加斯薩利納斯(Las Salinas)。該工廠有4700平方米的太陽能集熱面積,每天可產生高達22,700升淡水,並經營了40年。 烹飪 太陽灶利用太陽光蒸煮,乾燥和殺菌。它們可分為三大類:箱灶,面板灶和反射灶。 |
太陽能的優點
在光照充足的地區(例如:太空向陽區、海洋、海岸、空曠岩地...),太陽能的供應源源不斷,生產過程不會產生環境污染,又不會消耗其他地球資源或導致地球溫室效應。太陽能能源取自於太陽,來源源源不絕,太陽能為良好能源如同水力或風力,各處皆積極發展太陽能。 太陽能設施可採取立體式設施,如同風能設施,可保護許多陸地和生態。太陽能電池組件還可以安裝在建築物上,稱為光電一體化建築,這樣太陽能電池板不僅可以在有陽光的時候產生電力,還能達到隔熱的作用,可以有效降低建物內部的溫度,降低建築能耗;而且分散式發電的大規模停電風險較低。 太陽能雖然具有間歇性,但是太陽能發電量與用電尖峰需求呈現正相關,許多電力公司需要興建只在尖峰時間發電的電廠,這種電廠的成本本來就很高,用太陽能電池取代這類發電廠,成本不會高多少、在一些情況下甚至比較低。 太陽能的缺點 目前利用太陽能的各種技術都具有成本很高的缺點,因此首期資本投資不菲。另外,在許多陰雨綿綿或是日照短的的地區,很難完全靠太陽能供應,投資報酬率較低。另外,除非有大量的太陽能板或更成熟的太陽能技術,不然目前仍然難以產生大量電源供給使用是其缺點。 除此之外,太陽能板壽命有限。大約是10-30年。而製作時所需使用的大量矽、鍺、硼可能會造成其他方面的污染,得先做好事先的管控處理。 |
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